鈦及鈦合金大規格棒材換向鐓拔工藝研究

侯 鵬，李 維，李進元，蒲 宣，王宏權，郭 征

（西部材料有限責任公司，陜西 西安 710201）

0 引言

鈦及鈦合金具有熔點高、密度小及強度高等主要特點，被廣泛應用于航空發動機結構中，如用于制造壓氣機盤、葉片等承受大壓力的旋轉件［1］。自由鍛是鍛制鈦及鈦合金棒材、餅材及環材等的主要加工方法之一，換向鐓拔作為自由鍛的一道工序在自由鍛造加工過程中使用廣泛，在大規格棒材加工生產過程中它是必須采用的一道關鍵工序。鈦及鈦合金的線膨脹系數小、抗拉強度高、金屬流動性差，所以對于大規格坯料若在加工過程中采用直墩直拔，會造成金屬變形不均勻、強度低、塑性差［2］，而采用換向鐓拔，在鍛造過程中能使得整個坯料截面獲得非常均勻的組織，從而提高產品的綜合性能。

1 實驗材料及實驗方法

1.1 實驗材料

實驗采用西部鈦業公司生產的TC4鈦合金鑄錠，鑄錠相變點為980℃～985℃，其外觀如圖1所示。鑄錠經扒皮、取樣、探傷后切除冒口，扒皮后的成品鑄錠外徑為Φ690 mm，并經中分鋸切后轉入后序鍛造工序。

1.2 實驗方法

鈦合金棒材鍛造溫度從開坯到成品，必須逐漸由高到低，特別是成品鍛造前的兩次加熱更應該嚴格控制其加熱溫度和加熱時間，同時控制好終鍛溫度，變形要均勻、速度適中。

首先，鑄錠在1 150℃制坯，經軸向拔長至方坯后，空冷修磨帶鋸下料。方坯分兩組，一組采用換向鐓拔工藝，一組采用直鐓直拔工藝。鑄錠在α＋β／β相變點以上大變形，變形抗力小，塑性高，鍛透性好，鑄造的粗大組織基本被破碎，得到較均勻、細小的纖維組織。然后在相變點以上40℃～70℃進行二火鐓拔，空冷修磨，再在兩相區采用合適的變形速度、變形程度進行反復鐓拔。最后在兩相區拔長、滾圓，鍛制成Φ200 mm的成品棒材。從成品棒材上取樣，采用同一熱處理制度退火后測試棒材的室溫、高溫力學性能，并利用實驗后的試樣進行顯微組織觀察。

圖1 TC4鑄錠外觀

2 實驗結果及分析

2.1 低倍組織

圖2、圖3分別為TC4合金方坯直鐓直拔和換向鐓拔結束后的低倍組織照片。觀察圖2、圖3，可以看出低倍中均無肉眼可見的裂紋、夾雜、偏析及其他冶金缺陷，無清晰晶。這表明結合β單相區及α＋β兩相區的鍛造工藝過程較好，達到了細化晶粒、改善材料內部組織的目的。坯料完全被鍛透，鑄錠內部的疏松、氣泡等冶金缺陷得到有效鍛合。

將圖2與圖3對照發現，圖2中組織大小分布不均，有大的片狀組織，且呈一定的流線分布。說明坯料在直鐓直拔過程沿徑向從中心至邊部變形量不同，變形不均勻，存在變形死區，導致坯料在整個橫截面上組織大小分布不均；而圖3組織大小均勻，無大的片狀組織。說明換向鐓拔坯料變形均勻，變形死區小，組織均勻性好。

圖2 直鐓直拔的低倍組織

圖3 換向鐓拔的低倍組織

2.2 顯微組織

圖4 、圖5分別為直鐓直拔及換向鐓拔后成品棒材退火后的顯微組織。由圖4和圖5可看出：成品的顯微組織為典型的兩相區加工的雙態均勻組織，無完整的原始β晶界。圖4中等軸初生α與長條α并存分布于β轉基體上，且呈現一定的流向；圖5為等軸初生α均勻分布于β轉基體上。與圖4對比，圖5中的α相等軸化程度好，分布均勻，晶粒細小。造成這種差異的主要原因是：在直鐓直拔過程中，由于壓機的上、下砧與坯料之間的摩擦以及溫降等客觀因素的存在，坯料僅沿著軸向一個方向反復拔長和鐓粗，變形過程中存在變形死區，坯料內、外存在溫差，內、外變形抗力大小不同，最終導致變形不均勻；而采用換向鐓拔，可以同時交替改變軸線和棱邊，坯料的X、Y、Z三個方向均經過了反復鐓粗和拔長，金屬流動性好，使得整個坯料獲得非常均勻的組織，晶粒細化，等軸化程度好，避免了變形不均和變形死區的形成，并且可以消除由于直鐓直拔產生的十字亮線所形成的剪切帶。

2.3 力學性能

圖4 直鐓直拔的顯微組織 200×

從成品棒材上取樣，按照800℃保溫90 min進行熱處理，空冷后做性能測試。表1、表2分別為直鐓直拔和換向鐓拔后成品棒材室溫下力學性能的實測值與標準值的對照表。表3和表4分別為直鐓直拔和換向鐓拔后成品棒材的高溫力學性能的實測值和標準值的對比。

從表1～表4中數據可以看出：棒材的室溫力學性能、高溫力學性能、室溫缺口及持久強度都符合標準要求，且高于標準。經換向鐓拔后的成品棒材的室溫力學性能等相對于直鐓直拔明顯提高。在伸長率和斷面收縮率基本保持同一水平的情況下，室溫抗拉強度提高了60 MPa～70 MPa，屈服強度提高了35 MPa～50 MPa，高溫抗拉強度提高了20 MPa～30 MPa。以上數據表明：換向鐓拔使坯料晶粒細化，強度提高。方坯在拔長過程中晶粒沿著金屬流動方向伸長而被拉長［3，4］，鐓粗時晶粒又沿著垂直方向伸長，經過反復換向鐓拔，晶粒在伸長過程中互相交割，不斷變小，最終使晶粒得到細化。隨著塑性變形的進行，位錯密度不斷增加，晶粒不斷細化，位錯在運動時的相互交割加劇，結果即產生固定的割階、位錯纏結等障礙，使位錯運動的阻力增大，引起變形抗力的增加，這樣，金屬的塑性變形就變得困難，要繼續變形就必須增大外力，因此提高了金屬的強度。通常坯料在強度增加的同時，塑形、韌性會有所下降，但從表中數據可以看出，兩者數值偏差不大，說明在保持塑形、韌性基本不變的條件下，經換向鐓拔后棒材的強度提高。

圖5 換向鐓拔的顯微組織 200×

表1 直鐓直拔Φ200 mm成品棒材室溫力學性能表

3 結論

本文通過高低倍、力學性能等實驗方法，研究和對比了兩種加工方式對鈦及鈦合金材料組織和性能的影響。實驗表明：

（1）與直鐓直拔相比，經換向鐓拔后材料變形均勻，變形死區少；低倍組織中無大的片狀組織，顯微組織等軸化程度好，初生的α相均勻分布在β轉基體上。

（2）經換向鐓拔后的成品棒材的綜合力學性能相對于直鐓直拔明顯提高，坯料變形均勻，晶粒細化，強度提高。

表2 換向鐓拔Φ200 mm成品棒材室溫力學性能表

表3 直鐓直拔Φ200 mm成品棒材高溫力學性能表

表4 換向鐓拔Φ200 mm成品棒材高溫力學性能表

［1］ 黃伯云，李成功.中國材料工程大典［M］.北京：化學工業出版社，2006.

［2］ 王金友，葛志明，周彥邦.航空用鈦合金［M］.上海：上海科學技術出版社，1985.

［3］ 毛衛民，趙新兵.金屬再結晶與晶粒長大［M］.北京：北京科技大學出版社，1993.

［4］ 樊東黎.熱處理工程師手冊［M］.北京：機械工業出版社，2005.